Evolução de peixes para vertebrados com membros foi rápida

Origem dos tetrápodes foi calculada em 15 milhões de anos antes do que a idade do fóssil mais antigo descoberto

Imagem de cima mostra dois tetrápodes primitivos do Devoniano Superior – Ichthyostega e Acanthostega – saindo da água para se mover em terra. As pegadas ficam atrás dos animais para indicar uma sensação de movimento. Crédito: Davide Bonadonna

Uma das maiores questões na evolução é quando e como os principais grupos de animais evoluíram pela primeira vez. A ascensão dos tetrápodes (todos os vertebrados com membros) de seus parentes peixes marca um dos eventos evolutivos mais importantes na história da vida. Essa transição de “peixe para tetrápode” ocorreu em algum lugar entre o Devoniano Médio e o Superior (aproximadamente 400-360 milhões de anos atrás) e representa o início de uma grande mudança ambiental, quando os vertebrados caminharam pela primeira vez para a terra. No entanto, algumas das questões mais fundamentais sobre a dinâmica dessa transição permaneceram sem solução por décadas.

Em um estudo publicado na revista Nature Ecology and Evolution, pesquisadores da Universidade Harvard (EUA) estabeleceram a data de origem dos primeiros tetrápodes. Eles descobriram também que esses animais adquiriram várias das novas características adaptativas importantes que possibilitaram a vida dos vertebrados na terra em taxas evolutivas aceleradas.

Conduzido pelo dr. Tiago R. Simões, investigador de pós-doutorado, e pela autora sênior professora Stephanie E. Pierce, ambos do Departamento de Biologia Organísmica e Evolutiva da Universidade Harvard, o estudo aplicou métodos estatísticos recentemente desenvolvidos (análise evolutiva bayesiana) para estimar com precisão o tempo e as taxas de evolução anatômica durante o surgimento dos tetrápodes. O método bayesiano foi adaptado de métodos originariamente desenvolvidos na epidemiologia para estudar como vírus como o da covid-19 evoluem, e só recentemente se tornou uma ferramenta da paleontologia para o estudo da evolução das espécies.

Maior precisão

O estudo também inova ao combinar dados de pegadas fósseis e fósseis corporais para apontar a época de origem dos tetrápodes. “Normalmente, os dados de pegadas aparecem depois dos de fósseis de corpos de seus autores de rastros. Neste caso, temos pegadas de tetrápodes muito mais antigas do que os primeiros fósseis de corpos por vários milhões de anos, o que é extremamente incomum. Combinando pegadas e fósseis de corpos, poderíamos pesquisar uma idade mais precisa para o surgimento de tetrápodes”, disse Pierce.

“Conseguimos fornecer uma idade muito precisa para a origem dos tetrápodes há cerca de 390 milhões de anos, 15 milhões de anos mais antiga do que o fóssil mais antigo do corpo de um tetrápode”, afirmou Simões.

Os pesquisadores também descobriram que a maioria dos parentes próximos dos tetrápodes tinha taxas excepcionalmente lentas de evolução anatômica. Isso sugere que os parentes dos peixes dos tetrápodes estavam muito bem adaptados ao seu estilo de vida aquático.

“Por outro lado, descobrimos que as linhagens evolutivas que levaram aos primeiros tetrápodes romperam com esse padrão estável, adquirindo vários dos novos traços adaptativos importantes a taxas incrivelmente rápidas que foram sustentadas por aproximadamente 30 milhões de anos”, disse Simões.

As cores da silhueta dos animais representam taxas de evolução anatômica para diferentes regiões do corpo, enquanto as cores de fundo indicam grupos em evolução estabilizadora versus direcional em direção a novos planos corporais. Crédito: Tiago R. Simões e Stephanie E. Pierce
Relevância do crânio

Simões e Pierce também ampliaram abordagens moleculares para estudar a rapidez com que diferentes partes do plano corporal dos primeiros tetrápodes evoluíram – como crânio, mandíbulas e membros – e a força da seleção natural agindo em cada um deles. Eles descobriram que todas as partes do esqueleto do tetrápode estavam sob forte seleção direcional para desenvolver novos recursos adaptativos, mas que o crânio e as mandíbulas estavam evoluindo mais rapidamente do que o resto do corpo, incluindo os membros.

“Isso sugere que as mudanças no crânio tiveram um papel mais forte nos estágios iniciais da transição do peixe para o tetrápode do que as mudanças no resto do esqueleto. A evolução dos membros para a vida na terra foi importante, mas principalmente em um estágio posterior na evolução dos tetrápodes, quando eles se tornaram mais terrestres”, disse Pierce.

“Vemos várias inovações anatômicas em seus crânios relacionadas à alimentação e obtenção de alimentos, permitindo uma transição de um modo de captura de presas baseado em sucção semelhante a peixes para uma mordida semelhante a tetrápodes, e um aumento no tamanho e localização da órbita”, disse Simões. “Essas mudanças prepararam os tetrápodes para procurar comida na terra e explorar novos recursos alimentares não disponíveis para seus parentes peixes.”

Os pesquisadores também descobriram que as taxas rápidas de evolução anatômica na linhagem dos tetrápodes não estavam associadas a taxas rápidas de diversificação de espécies. Na verdade, havia muito poucas espécies ao redor, tão poucas que tinham uma probabilidade muito baixa de serem preservadas no registro fóssil.

Muitas mudanças em períodos curtos

Essa descoberta ajuda a responder a um debate em curso na evolução de se novos grandes grupos de animais se originaram sob taxas rápidas de mudança anatômica e diversificação de espécies (a hipótese clássica). Ou, se houvesse altas taxas de evolução anatômica primeiro, com taxas aumentadas de diversificação de espécies ocorrendo apenas vários milhões de anos depois (uma nova hipótese).

“O que temos descoberto nos últimos dois anos é que há muitas mudanças anatômicas durante a construção de novos planos do corpo animal em curtos períodos de tempo geológico, gerando altas taxas de evolução anatômica, como estamos vendo com os primeiros tetrápodes. Mas, em termos de número de espécies, eles permaneceram limitados e realmente baixos por muito tempo. Somente após dezenas de milhões de anos os tetrápodes realmente se diversificaram e aumentaram em número de espécies. Definitivamente, há um desacoplamento aí”, disse Simões.

“Leva tempo para se firmar em um novo nicho, a fim de tirar o máximo proveito dele”, concordou Pierce.

Ela prosseguiu: “Nosso estudo começa bem no início dessa história evolutiva. Há muitos, muitos mais capítulos por vir. Queremos investigar mais a fundo o que aconteceu depois da origem dos tetrápodes, quando eles começaram a colonizar terras e se diversificar em novos nichos. Como isso afeta suas taxas anatômicas de evolução em comparação com a diversificação de espécies em todo o planeta é apenas o começo. É o capítulo introdutório do livro.”

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